CN105161809A - 和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环。该混合环包括一个传统的微带混合环，在该微带混合环的和端口连接基片集成波导导波结构、差端口连接共面波导导波结构；所述共面波导导波结构包括共面波导中心导带、微带混合环差端口的微带线与共面波导中心导带的耦合部分，该共面波导导波结构由介质基片上下表面的金属贴片构成；所述基片集成波导导波结构包括基片集成波导、微带混合环和端口的微带线至基片集成波导的过渡带，所述基片集成波导由介质基片上下表面的金属贴片和两排金属通孔构成，该两排金属通孔构成基片集成波导的侧壁。本发明和、差端口传播的导波模式截然不同，不易发生耦合，从而实现了两个端口较高的隔离。

Description

和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环

技术领域

本发明涉及微波毫米波集成电路技术领域，特别是一种和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环。

背景技术

采用传统微带技术的混合环已经得到大量的实际应用，但是由于其结构的特征，隔离度受到一定的限制。这是由于传统微带结构的混合环和差支路均采用同一种导波结构(微带)，因而这两个端口的导波模式自然容易相互泄露，导致隔离度下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、容易实现的和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环，该混合环具有体积小、性能稳定、隔离度高的优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环，包括一个传统的微带混合环，在该微带混合环的和端口连接基片集成波导导波结构、差端口连接共面波导导波结构；所述微带混合环由介质基片上表面的金属贴片和下表面的接地板构成；所述共面波导导波结构包括共面波导中心导带及两侧接地板、微带混合环差端口的微带线与共面波导中心导带的耦合部分，该共面波导导波结构由介质基片上下表面的金属贴片构成；所述基片集成波导导波结构包括基片集成波导、微带混合环和端口的微带线至基片集成波导的过渡带，所述基片集成波导由介质基片上下表面的金属贴片和两排金属通孔构成，该两排金属通孔构成基片集成波导的侧壁。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)在混合环的和端口和差端口分别连接不同的导波结构，使得两者传播的导波模式截然不同(共面波导传播准TEM模，基片集成波导传播TE₁₀模)，实现了两个端口的高度隔离；(2)结构简单，容易实现，具有体积小、性能稳定、隔离度高的优点；(3)应用范围广泛，适用于微波毫米波单平衡混频器、180度耦合器等领域。

附图说明

图1是本发明和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环的顶视结构示意图。

图2是本发明和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环的底视结构示意图。

图3是本发明和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环的基片集成波导部分的侧视结构示意图。

图4是实施例1中的S参数图。

图5是实施例1中本发明与传统微带混合环的S参数比较图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明的原理为：将传统微带混合环的和支路、差支路采用不同的波导结构，和支路采用基片集成波导结构，差支路采用共面波导传输电磁波，由于两支路传播的场结构完全不同，使得两支路不易发生电磁耦合，从而达到较高的隔离度。

结合图1～2，本发明和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环，包括一个传统的微带混合环c，在该微带混合环c的和端口连接基片集成波导导波结构、差端口连接共面波导导波结构；所述微带混合环c由介质基片上表面的金属贴片和下表面的接地板构成；所述共面波导导波结构包括共面波导中心导带及两侧接地板a、微带混合环差端口的微带线与共面波导中心导带的耦合部分b，该共面波导导波结构由介质基片上下表面的金属贴片构成；所述基片集成波导导波结构包括基片集成波导f、微带混合环和端口的微带线至基片集成波导的过渡带d，所述基片集成波导f由介质基片上下表面的金属贴片和两排金属通孔e构成，该两排金属通孔e构成基片集成波导f的侧壁，如图3所示。

所述微带混合环c的四个分支臂均为阻抗50欧姆的微带线，即微带混合环差端口的微带线、和端口的微带线也为阻抗50欧姆的微带线。

所述微带混合环和支路采用基片集成波导结构，微带混合环和端口的微带线至基片集成波导的过渡结构d为梯形微带渐变线。

所述微带混合环差支路采用共面波导结构，微带混合环差端口的微带线至共面波导的耦合部分设有上下两层矩形金属片b。

如图1所示，所述微带混合环和端口的微带线至基片集成波导的过渡带d为梯形微带渐变线。所述共面波导中心导带及两侧接地板a的中心导带在介质基片下表面的金属贴片与下表面接地板之间设有第一间隙、耦合部分b在介质基片下表面的金属贴片与下表面接地板之间设有第二间隙。

如图3所示，所述基片集成波导f的高度h即为介质基片的厚度。所述基片集成波导f的宽度D即两排金属通孔e中心之间的距离，根据以下公式确定：

$f_c=\frac{v}{{\mathrm{\λ}}_c}=\frac{c/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}{2D}$

式中，f_c为基片集成波导f的截止频率，v为电磁波在介质基片中的传播速度，λ_c为截止频率f_c所对应的波长，c为电磁波在真空中传播的速度，ε_r为介质基片的介电常数。

本发明和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环的结构参数设计过程如下：

(一)根据混合环的工作频段及介质基片特性，设计共面波导中心导带及两侧接地板a中心导带的宽度、共面波导中心导带及两侧接地板a中心导带在介质基片下表面的金属贴片与下表面接地板之间的第一间隙宽度、微带混合环差端口的微带线与共面波导中心导带的耦合部分b的尺寸，使共面波导导波结构在需要的频段内达到最佳传输效果；

(二)在考虑混合环的工作频段、介质基片特性的基础上，根据微带线及混合环宽度长度设计公式，设计传统的微带混合环c的微带分支臂宽度、环的宽度和半径，使微带混合环c在需要的频段内达到最佳的耦合度和隔离度；

(三)根据需要的频段及基片集成波导传播主模，设计基片集成波导f的宽度，再通过调节微带混合环和端口的微带线至基片集成波导的过渡带d的尺寸，使基片集成波导导波结构在需要的频段内传输效果最佳并保持主模传输。基片集成波导的高度与介质基片厚度一致。

实施例1

结合图1～3本发明和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环，设计了一个中心频率f_c为24GHz的3dB混合环，在22GHz至26GHz内能达到非常好的耦合和隔离效果。介质基片的材料为RogerRT5880，介电常数ε_r＝2.2，介质基片厚度h＝0.508mm。

该结构包括一段共面波导导波结构、传统的微带混合环c、以及基片集成波导导波结构：

(1)所述共面波导导波结构包括共面波导中心导带及两侧接地板a、微带混合环差端口的微带线与共面波导中心导带的耦合部分b，该共面波导导波结构由介质基片上下表面的金属贴片构成；所述共面波导中心导带及两侧接地板a中心导带在介质基片下表面的金属贴片与下表面接地板之间设有第一间隙Sc为0.25mm，共面波导中心导带及两侧接地板a中心导带宽度Wc为1.65mm，微带混合环差端口的微带线与共面波导中心导带的耦合部分b为矩形金属贴片，其宽度Wa为2.25mm、长度Cd为1.6mm，微带混合环差端口的微带线与共面波导中心导带的耦合部分b在介质基片下表面的金属贴片与下表面接地板之间设有第二间隙Wd为0.3mm；(2)所述微带混合环c的四个分支臂均为阻抗50欧姆的微带线，即微带混合环差端口的微带线、和端口的微带线也为阻抗50欧姆的微带线，该阻抗50欧姆微带线的宽度Wm均为1.34mm；(3)传统的微带混合环c由介质基片上表面的金属贴片和下表面的接地板构成，其中环的半径R0为1.96mm，环的宽度Wb为0.74mm；(4)所述基片集成波导导波结构包括基片集成波导f、微带混合环和端口的微带线至基片集成波导的过渡带d，所述基片集成波导f由介质基片上下表面的金属贴片和两排金属通孔e构成，该两排金属通孔e构成基片集成波导f的侧壁，其中微带混合环和端口的微带线至基片集成波导的过渡带d的长度Td为1.07mm，基片集成波导f的宽度D为4.6mm。

图4是根据本发明所设计的一个实例的S参数随频率变化图。

图5是本发明与传统微带3dB混合环结构的S参数比较图。传统的微带3dB混合环结构，在中心频率24GHz乃至整个通带内和差支路的隔离度均不如本发明中结构(传统结构的S31的值高于本发明中结构)；本发明和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环从22GHz至26GHz都有很好的耦合和隔离特性。

综上所述，本发明和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环，由采用基片集成波导的和支路，采用共面波导结构的差支路，以及采用微带结构的混合环组成，可以实现和支路和差支路的高度隔离，并且结构简单，容易实现，适用于微波毫米波单平衡混频器、180度耦合器等领域。

Claims (5)

1.一种和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环，其特征在于，包括一个传统的微带混合环(c)，在该微带混合环(c)的和端口连接基片集成波导导波结构、差端口连接共面波导导波结构；所述微带混合环(c)由介质基片上表面的金属贴片和下表面的接地板构成；所述共面波导导波结构包括共面波导中心导带及两侧接地板(a)、微带混合环差端口的微带线与共面波导中心导带的耦合部分(b)，该共面波导导波结构由介质基片上下表面的金属贴片构成；所述基片集成波导导波结构包括基片集成波导(f)、微带混合环和端口的微带线至基片集成波导的过渡带(d)，所述基片集成波导(f)由介质基片上下表面的金属贴片和两排金属通孔(e)构成，该两排金属通孔(e)构成基片集成波导(f)的侧壁。

2.根据权利要求1所述的和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环，其特征在于，所述微带混合环(c)的四个分支臂均为阻抗50欧姆的微带线，即微带混合环差端口的微带线、和端口的微带线也为阻抗50欧姆的微带线。

3.根据权利要求1所述的和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环，其特征在于，所述微带混合环和支路采用基片集成波导结构，微带混合环和端口的微带线至基片集成波导的过渡结构(d)为梯形微带渐变线。

4.根据权利要求1所述的和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环，其特征在于，所述微带混合环差支路采用共面波导结构，微带混合环差端口的微带线至共面波导的耦合部分设有上下两层矩形金属片(b)。

5.根据权利要求1所述的和差支路采用不同导波结构的高隔离3分贝混合环，其特征在于，所述基片集成波导(f)的宽度D即两排金属通孔(e)中心之间的距离，根据以下公式确定：

$f_c=\frac{v}{{\mathrm{\λ}}_c}=\frac{c/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}{2D}$

式中，f_c为基片集成波导(f)的截止频率，v为光在介质基片中的传播速度，λ_c为截止频率f_c所对应的波长，c为光在真空中传播的速度，ε_r为介质基片的介电常数。